镍基单晶合金CMSX-2高温蠕变后的显微组织及合金元素分布特征

对单晶合金CMSX－2在1000℃下分别进行了载荷为95，120，165和216MPa的拉伸蠕变实验，在SEM下观察了合金试样枝晶干的枝晶间区域中γ′相的形态，有EDS方法分析了上述枝晶区域中合金元素的分布特点，对枝晶干和枝晶间区域中γ′形成元素Al,Ti,Ta的原子分数与基体固溶元素Cr,Co,W的原子分数的比值（CA1＋CTi CTa)/(Ccr CCo Cw)和同一元素在枝晶与在枝晶干中的原子分数比（Ci/Cc)Ta,Cr,Co,W以及共格错配度的变化对γ′相粗化程度和筏形化形态的影响分别进行了讨论。     

镍基单晶高温合金中γ/γ′元素分配行为的研究进展

本文总结了镍基单晶高温合金中γ/γ′元素的分配行为,单晶高温合金中Re、Cr、Co、Mo、Ru和W元素主要分布于γ相中,Al、Ta和Ti元素主要分布于γ′相中。同时,单晶高温合金中γ/γ′元素分配行为受到合金元素交互作用的影响,如Re、Cr和Mo元素的分配比随单晶高温合金中Re+Cr+Mo含量以及Ta+Ti含量的提高而增大,W元素的分配比随着单晶高温合金中Ta+Ti含量的提高而增大;Ru的添加使部分合金中出现了元素“逆分配”的现象,但Ru元素产生“逆分配”作用并非普遍现象;Ta元素的分配比随单晶高温合金中Ta-Al质量比的提高而显著降低。     

Ta、Co对新型高强抗热腐蚀单晶高温合金组织稳定性的影响

研究了Ta、Co对一种新型高强抗热腐蚀单晶高温合金微观组织及1000 ℃长期时效中组织稳定性的影响。结果表明,随Ta含量的增加,γ′相溶解温度提高,完全热处理后的γ′相尺寸先增大后减小,Co降低了γ′相溶解温度,减小了γ′相尺寸并且降低了γ′相的含量;1000 ℃长期时效过程中,随Ta含量的提高,γ′相粗化速率先降低后升高,Co降低了γ′相的粗化速率,γ/γ′两相错配度和元素的扩散是影响γ′相粗化速率的主要因素;Ta提高了合金中γ′相的含量,促使Re、W、Mo、Cr元素向γ基体中分配,促进了TCP相的析出,Co降低了Re、W、Mo、Cr元素在γ基体中的分配,降低了基体的过饱和度,抑制了TCP相的析出。     

Ni基单晶高温合金CMSX—2树枝晶结构错配度变化的测算

用元素分配比计算了CMSX－2合金树枝状晶各典型区域（枝晶、枝晶臂及枝晶间）γ和γ′的相成分，用Wantanabe公式求得相应区域γ和γ′的点阵常数，由此算得各区域所对应的室温错配度，用Link关于温度与应力综合作用对错配度影响的公式计算了持久变形过程的错配度。解释了该合金在室温无外应力至高温＋外应力作用时错配度符号及大小的变化，枝晶各区域错配度的变化与各区域分的变化和各区、各相中Ta／W比以及显微硬度（HV）的变化有显著对应,支晶各区域成分变化引起的错配度及其速率的变化幅度直接影响试样的持久寿命。     

高温合金的化学成分

正高温合金要提高热强性,主要采用合金化强化,强化作用有强化固溶体、强化基体及强化晶界:加入的元素有:1)形成奥氏体的元素:Ni、Fe、Co、Mn;2)提高抗氧化、耐腐蚀性的元素:Cr、Al、Ti;3)固溶强化元素:W、Mo、Cr、N、Al;4)金属间化合物强化元素:Al、Ti、Nb、Ta、Hf。此外,W能大量进入γ′相,以增强γ′相的强化作用;5)碳化物强化元素:Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Hf、(N);     

高温合金的化学成分

正高温合金要提高热强性,主要采用合金化强化,强化作用有强化固溶体、强化基体及强化晶界,加入的元素有:(1)形成奥氏体的元素:Ni、Fe、Co、Mn;(2)提高抗氧化、耐腐蚀性的元素:Cr、Al、Ti;(3)固溶强化元素:W、Mo、Cr、N、Al;(4)金属间化合物强化元素:Al、Ti、Nb、Ta、Hf。此外,W能大量进入γ′相,以增强γ′相的强化作用;(5)碳化物强化元素:Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Hf、(N);     

Ru和Cr对镍基单晶高温合金γ/γ′热处理组织演变的影响

通过对6种不同Ru(0—5.1%,质量分数,下同)和Cr(0—5.7%)含量的镍基单晶高温合金1100℃的时效和热处理组织观察与γ/γ′两相的成分分析,研究了Ru和Cr的独立和交互作用对合金元素成分分配比及热处理组织演变的影响.经1100℃/8 h时效后,在枝晶干处,不含Ru和Cr的基础合金γ′相接近球形,Re在该合金γ/γ′两相中的成分分配比较低,错配度接近于0.在基础合金中加入高Ru后,γ′相立方度和Re的成分分配比略有增大,错配度变负;在不含Ru合金与含Ru合金中,随着Cr含量的增大,γ′相的立方度和Re的成分分配比均显著增大,错配度明显变负.1100℃非加载下的长期热处理研究表明:γ′相接近球形且错配度接近于0的合金γ′相形貌稳定,在2000 h内只出现了粗化,没有发生筏排化现象;γ′相呈中间态并且错配度较小的合金γ′相粗化趋势较为明显;γ′相接近立方体形且错配度中等的合金在热处理800 h后形成近似筏排组织;同时加入Ru和Cr,随着Re的成分分配比和错配度的增大,γ′相为立方体形或长方体形的合金筏排化时间提前;其中高Ru中Cr合金热处理200 h就出现筏排化趋势,而错配度最高的高Ru高Cr合金热处理...     

铸造镍基高温合金IN792的凝固和偏析行为研究

采用等温凝固淬火试验(ISQ)与差热扫描量热(DSC)分析的方法对铸造镍基高温合金IN792的凝固过程和元素在固、液相中的分配进行研究,得到了合金的等温凝固组织、相析出顺序图、凝固特性曲线以及元素在不同温度下的偏析特性。ISQ结果表明:IN792合金的液相线温度为1328℃,开始析出MC碳化物的温度为1310℃,开始形成(γ+γ’)共晶的温度为1225℃,于1190℃开始析出二次γ’相。由DSC测得的合金宏观固相线温度(尚存体积分数5%残余液体)和由ISQ测得的微观固相线温度(终凝温度)分别为1250和1180℃,两者相差达70℃,这一温度范围往往是热裂缺陷形成的敏感区间。IN792合金在液相线下30℃范围内液体量锐减,析出了体积分数约85%的γ枝晶。1300～1270℃是合金枝晶间液体由连通转为断开的温度范围,它与铸件疏松形成密切相关。在1325～1190℃温度区间,IN792合金中元素W、Co分配系数大于1,倾向富集于枝晶干固相,为负偏析元素;Zr、Mo、Ti、Ta、Cr分配系数小于1,倾向富集于枝晶间液相,为正偏析元素;Al在凝固早期富集于液相而后来倾向于分布在枝晶干固相区,随着凝固温度降低逐步转变为负偏析元素。在1325～1210℃温度范围内,随着凝固温度降低,Al、Ni的分配系数升高,而Mo、Cr的分配系数降低。相反,在1210～1180℃温度区间,随着凝固温度降低,Ni、Al的分配系数降低,而Mo、Cr的则升高。     

热等静压工艺对K4125镍基高温合金显微组织的影响

采用3组不同参数的热等静压(HIP)工艺对K4125镍基高温合金进行显微组织演变研究。结果表明,3种热等静压工艺制备的合金中Hf、Mo等在MC碳化物中的分布区域略有不同,Ta、Mo、Co、Cr、Ti及Al等为正偏析元素,W、Ni为负偏析元素,与其他元素相比较,Ni、Co、Cr偏析程度较小,提高热等静压温度及压力,各元素的偏析程度均有所降低,γ/γ′共晶组织含量逐渐减少,同时枝晶干γ′相的尺寸显著降低,但面积分数无明显变化。此外,3种热等静压合金均出现大块状MC碳化物碎化、二次MC碳化物析出及晶界细小碳化物形成等现象,提高热等静压温度及压力后,这种现象加剧,且碳化物中Ta、Ti含量降低,TaC、TiC的分解倾向增加。     

Ru对一种高Cr镍基单晶高温合金凝固组织的影响

以一种新型高Cr镍基单晶高温合金为基础,调整Ru的添加量,通过对3种不同Ru含量合金铸态组织的观察,研究了Ru对合金相析出特征与元素分布规律的影响。结果表明,随着Ru含量(0、1.5%、3%,质量分数)的增加,合金一次枝晶间距与二次枝晶间距逐渐减小,(γ+γ′)共晶含量先增后降,γ′相尺寸逐渐变小;3%的Ru添加使合金凝固组织中析出β-NiAl相,该相除Ni、Al基本组成元素外,还包含一定量的Cr、Co和Ru;Ru对合金中其它元素具有典型的"逆分配"作用,β-NiAl相的析出降低了Ru对其它元素"逆分配"的影响程度;Ru提高了正偏析元素Ta、Al和负偏析元素Re的偏析程度,降低了正偏析元素Mo、Cr的偏析程度。     

Ta/W比对一种粉末高温合金相组成和形貌的影响

提高Ta、W元素的含量是新型镍基粉末高温合金设计和研究的趋势。为了研究Ta、W元素交互作用对粉末高温合金组织的影响，设计了一种高(W+Ta)的粉末高温合金，在保持(W+Ta)的总量(7.5%,质量分数)和其他元素含量相同的情况下，合金的Ta/W比从4.0/3.5逐步下降到3.0/4.5。结果表明：Ta/W比的变化对合金的晶粒组织基本没有影响，对碳化物、γ′相的分布和含量影响不大，但强烈影响二次γ′相的形貌和尺寸。随Ta/W比的下降，二次γ′相的尺寸逐渐增大，形貌由近方形转变为不规则形状，甚至产生分裂趋势；γ′相和γ基体的晶格常数均减小，但γ基体晶格常数减小更多，导致合金γ′相/γ基体间错配度增大。W元素随着Ta/W比的降低从倾向分配在γ基体转变为分布在γ′相；除W外，Ta/W比对其他合金元素在γ′相/γ基体间的分配系数影响不大。     

镍基单晶合金热处理过程中的组织演变

利用螺旋选晶法制备了镍基单晶合金,研究了热处理过程中合金的组织演变。结果表明:合金的铸态组织由枝晶组成,W偏析于枝晶干,Ti、Cr、Mo和Ta偏析于枝晶间,固溶处理可以消除铸态组织中的枝晶,减小成分偏析,固溶温度越高,粗大的γ’和γ/γ’共晶溶解的越完全。时效处理过程中,大尺寸的γ’发生粗化,小尺寸的γ’逐渐消失,时效温度越高,γ’粗化得越严重。热处理促进合金元素在γ和γ’中的均匀分布,减小了合金的错配度。     

GH742y合金凝固偏析行为

采用组织分析和差热分析相结合的方法系统研究GH742y合金的凝固偏析行为和铸态组织形成规律。GH742y合金枝晶偏析严重,组织析出复杂:Cr、Co、W、V和Al偏析于枝晶干,而Nb、Ti和Mo等元素在枝晶间的富集导致一次和二次γ′相、(γ γ′)共晶、MC碳化物、M6C碳化物、Laves相和δ相的析出;稀土元素La和Ce的偏析导致Ni5Ce相和富氧硫稀土相的枝晶间析出。相分计算表明,严重的元素偏析以及大量富Nb和Ti相的析出是σ相和μ相等有害TCP相析出的主要原因。GH742y合金的凝固顺序为:γ基体、MC碳化物、一次γ′相、(γ γ′)共晶、Laves相、Ni5Ce相和M6C碳化物。     

Ta和Mo点位偏好对Co-Al-W合金γ′相的影响

为了研究Ta元素和Mo元素合金化对Co-Al-W基高温合金γ′相强度和形貌的影响，构建γ′-L12超胞结构，对其六个非等效点位进行掺杂计算，分析能量结构和力学性能；并制备Co-8.8Al-9.8W-2X(X=Ta, Mo)合金，对合金进行5%和10%的压缩变形，使用透射电镜（TEM）技术对合金γ′相形貌和位错形态进行分析。结果表明:Ta原子掺杂时优先占据Al2位置，Mo原子掺杂时优先占据W6位置，Ta原子占据Al2位置会使得γ′-L12掺杂结构的强度以及组织稳定性升高，Mo原子在W6位置的掺杂则效果相反；由于在合金化时Ta原子优先占据在Al2位置，导致了γ′相强度升高，2Ta合金在进行压缩变形时γ′相形貌可以保持为立方状，位错对γ′相的切割破坏较为有限，而2Mo合金由于Mo原子优先占据W6位置导致γ′相强度降低，进行压缩变形时γ′相形貌由立方状转变为筏排状，位错对γ′相的破坏较为严重。     

Al、Ti、Ta对镍基单晶高温合金组织和性能的影响

利用ISP 05 DS/SC定向单晶炉拉制单晶试棒,研究了Al、Ti、Ta含量对镍基高温合金组织和性能的影响.研究结果表明,铸态组织中Al、Ti、Ta主要分布于γ'相中.Al、Ti、Ta含量的提高可以提高Co、Cr、Mo在γ基体中的溶解度,同时,随着Al、Ti、Ta含量的提高,合金的固溶温度提高,错配度增大,γ'增强相的形貌也由椭球形转为方形.高温持久试验结果表明,Al、Ti、Ta含量的增加可以提高合金的持久寿命.     

Ni基单晶高温合金原树枝状晶结构典型区域γ和γ′相成分的测算

导出了高温合金γ和γ′相的元素分配比和分配系数,以CMSX-2合金为研究对象,用EDAX区域扫描测得热处理后未变形试样和经持久变形至断裂试样原树枝状晶三个典型区域（枝晶干、枝晶臂和枝晶间）的成分,使用分配系数法计算了各区域中γ和γ′相的成分,分析了各区成分分布的特点及其与合金持久寿命的对应关系。     

Hf含量对FGH97合金γ/γ′晶格错配度的影响

采用X射线衍射(XRD)方法测算镍基粉末冶金高温合金FGH97中γ和γ′相的晶格常数,计算出γ/γ′晶格错配度。结果表明:γ′相的晶格常数比γ相的小,错配度为负值。Hf 主要存在于γ′相中,随着合金中 Hf 加入量的增加,进入γ′相中 Hf 的数量增加,使γ′相的晶格常数逐渐增大,错配度的绝对值逐渐减小。     

Ni添加量对Co-Al-W基单晶高温合金凝固特性的影响

基于实验研究、热力学计算与动力学分析,研究了Ni含量对Co-Al-W基单晶高温合金凝固特性的影响。结果表明：无Ni和添加Ni的Co基单晶高温合金均具有典型的枝晶组织,但Ni的添加增大了合金的一次枝晶间距。同时,Ni的添加增大了Al和W元素的显微偏析倾向,降低了Ta元素的显微偏析倾向,但对Ti元素的显微偏析倾向的影响较小。无Ni合金的枝晶间析出相为初生γ′相和(β+γ′)共晶相,而含Ni合金的枝晶间析出相为初生γ′相,即Ni的添加改变了合金的凝固路径与铸态组织。同时,Ni的添加对Co-Al-W基单晶高温合金凝固特征温度的影响不明显。     

Re、Ru对镍基单晶合金元素偏析行为的影响

通过设计并制备出四种Re、Ru含量不同的镍基单晶合金,通过组织形貌观察及浓度测量,研究了元素Re、Ru对铸态镍基单晶合金成分偏析行为的影响。结果表明,Ru主要富集于枝晶间区域,并提高Al、Ta等γ'相形成元素在枝晶干区域的偏析程度,使其他元素在枝晶间区域的偏析程度增加。Re强烈偏析于枝晶干区域,可促进枝晶形核并增加枝晶数量。凝固期间,高熔点的Re、W等元素与基体Ni优先凝固,发生液固转变,形成枝晶组织。由于Re阻碍Ni、Al、Ta等原子发生有序化排列,导致Al、Ta等γ'相构成元素在枝晶干区域的浓度降低,致使枝晶间区域Ni、Al、Ta等元素的浓度增加,最终形成大量共晶组织,是铸态含Re合金共晶组织数量较多、尺寸较大,及含Re合金中Al元素主要偏析于枝晶间区域的主要原因。     

高温度梯度定向凝固冷却速率对DZ4125合金γ′相的影响

研究了高温度梯度定向凝固条件下冷却速率对DZ4125合金中γ′相形态、分布和尺寸的影响.结果发现,随着冷却速率的增大,合金的枝晶逐渐细化.当冷却速率达到36.4 K/s时,合金的凝固组织由粗枝晶变为超细枝晶.在此过程中,γ′相从立方形逐渐球形化,且枝晶干γ′相的球化速度比枝晶间的γ′相球化速度快.同时,枝晶干和枝晶间γ′相尺寸逐渐减小,枝晶干和枝晶间γ′相的均匀化程度增加.枝晶间γ′相比枝晶干γ′相的尺寸大,这种差别随冷却速率的增大而减小.造成γ′相在形貌和尺寸上变化的根本原因是冷却速率的变化引起γ固溶体中溶质的过饱和度ΔX,过饱和γ固溶体的过冷度ΔT,γ′相脱溶析出的临界形核功ΔG~＊和溶质在γ固溶体中扩散系数D的改变.